[发明专利]可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种冷凝换热实验装置，特别是一种可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置。

背景技术

冷凝传热是指蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时发生的一种传热形式。由于冷凝传热能够从较低温差中获得很高的换热系数，因而广泛应用于动力、化工、制冷和核能等诸多领域。加强蒸汽冷凝换热能力对提高换热器热效率意义重大，然而空气等不凝性气体对冷凝传热具有强烈的抑制作用，比如在水蒸汽中质量分数1%的空气就能使传热系数降低60%，所以其定量研究近年来一直是传热学及相关领域的研究热点。

此外，传统的冷却方式是由泵驱动冷却水从传热管内流过，而蒸汽在管外凝结的强迫循环方式，但随着非能动概念的提出，由自然循环方式提供冷却已成为研究的焦点之一。那么，不同的冷却方式对冷凝换热的强度是否存在影响？哪种冷却方式更稳定、可靠？在不同的应用条件下采用哪种冷却方式更合理？这些都是值得我们认真研究的问题。

针对含不凝性气体的蒸汽冷凝换热研究，实验是不可替代的重要途径，而实验装置则是获取可靠数据必须倚靠的硬件设施。但从公开发表的文献和专利来看，目前提出的冷凝实验装置大多只能完成纯蒸汽的实验研究，或单一冷却方式下的混合气体实验。如：麻省理工学院H.Liu的非能动安全壳热量导出实验装置（H.Liu,N.E.Todreas,M.T.Driscoll.An experimental investigation of passive cooling unit for nuclear plant containment[J].Nuclear Engineering and Design，2000，199：243-255.）仅能完成自然循环下的冷凝实验研究；而麻省理工学院Dehbi的含不凝气体的竖直管外冷凝实验装置（Dehbi.The Effects of Non-condensable Gases on Steam Condensation under Turbulent Natural Convection Conditions,1991.）仅能完成强迫循环下的冷凝实验研究。而且上述实验装置还存在以下缺陷：（1）将蒸汽源设在实验体内部，需要很大的水空间以维持数据测量的稳定性，造成实验体体积庞大，对实验场地、筒体强度和密封性都有很高要求；若实验体体积较小，频繁补水将使系统压力产生大幅波动，甚至根本无法稳定，不能满足测量精度要求。（2）对于H.Liu的自然循环试验装置，冷凝换热量是通过水箱内饱和水的汽化潜热总量来确定，导致冷却剂的实验起始温度必须为饱和温度，因此无法在较宽范围内研究换热管壁面过冷度对冷凝换热的影响。（3）H.Liu的实验装置主要针对换热进行研究，并未考虑外部自然循环冷却系统的热力特性与流动特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于研究含有多组分不凝性气体的可实现自然循环与强迫循环耦合的冷凝换热实验装置。

本发明的目的是这样实现的：

主要包括蒸汽供应系统、空气供应系统、氦气供应系统、自然循环冷却系统、强迫循环冷却系统、冷凝实验体和数据测量与采集系统；所述蒸汽供应系统主要由锅炉和流量计组成，由锅炉产生的蒸汽，流经蒸汽流量计进入冷凝实验体壳侧；所述空气供应系统主要由空气压缩机、储气罐、油气分离器组成，空气压缩机向储气罐充气，空气经过油气分离器进入冷凝实验体壳侧；所述氦气供应系统主要由高压氦气瓶和减压阀组成，氦气经减压阀减压后进入冷凝实验体壳侧；混合气体在冷凝实验体壳侧完成换热后，凝液流至冷凝实验体下面的凝液罐内，最后由排水管路排出；自然循环冷却系统主要由高位水箱、电磁流量计、可视化实验段组成，在冷热段密度差的驱动下，高位水箱内的冷却水沿管路向下流经电磁流量计进入冷凝实验体管侧完成换热后，向上流经可视化实验段回到高位水箱；强迫循环冷却系统主要由水池、水泵、流量计、过滤器、稳压罐组成，冷却水由水泵从水池中抽出后依次经过过滤器、流量计、稳压罐进入冷凝实验体管侧完成换热后返回水池，流量由管侧出口调节阀控制。

本发明还可以包括：

1、自然循环冷却系统与冷凝实验体管侧的连接管路上设置有自然循环管路阀门，强迫循环冷却系统与冷凝实验体管侧的连接管路上设置有强迫循环管路阀，通过自然循环管路阀门与强迫循环管路阀的切换实现冷凝实验体壳侧环境相同时自然循环冷却与强迫循环冷却的冷凝换热特性的测量、分析与比较，提高对比实验的准确性。

2、自然循环冷却系统的上升段采用透明的耐热玻璃结构，用于观察自然循环中的两相流型，追踪上升管段的闪蒸起始点位置等。